Telezentrische Beleuchtungen - Kontrastreiche Kanten dank Schattenwurfprinzip

Telezentrische Beleuchtungen schaffen hier eine entscheidende Voraussetzung für robuste Messprozesse. Durch ihren nahezu parallel geführten Strahlengang erzeugen sie eine außergewöhnlich homogene Hintergrundbeleuchtung und ermöglichen extrem kontrastreiche Kantenabbildungen. Das verbessert nicht nur die Kantendetektion, sondern reduziert auch Messfehler, die durch Streulicht, Reflexionen oder perspektivische Einflüsse entstehen. Besonders bei transparenten, glänzenden oder stark reflektierenden Prüflingen – etwa Glasampullen, Präzisionsdrähten, metallischen Bolzen oder Halbleiterstrukturen – sind telezentrische Systeme häufig alternativlos.

Vision & Control zählt zu den technologischen Pionieren, die telezentrische Objektive und Beleuchtungssysteme frühzeitig in die industrielle Bildverarbeitung eingeführt und konsequent zu integrierten Messsystemen weiterentwickelt haben. Mit der Kombination aus vicotar®-Objektiven und vicolux®-Beleuchtungen entstanden Lösungen, die heute in zahlreichen Mess- und Inspektionsaufgaben Maßstäbe setzen. Entwicklung und Fertigung erfolgen vollständig in Deutschland – ein entscheidender Vorteil, wenn höchste Präzision, reproduzierbare Qualität und langjährige Applikationserfahrung gefordert sind.

Der zentrale Vorteil telezentrischer Beleuchtungen liegt im sogenannten Schattenwurfprinzip: Kanten und Konturen werden mit höchster Kontrastschärfe als Silhouettenbild sichtbar gemacht. Dadurch lassen sich selbst feinste Maßabweichungen sicher detektieren – eine Grundvoraussetzung für hochpräzise Inline-Messungen in automatisierten Produktionsprozessen.

Aufbau und Funktionsweise

Telezentrische Beleuchtungen der vicolux®-Serie erzeugen einen hochgradig parallel gerichteten, also kollimierten Strahlengang. Sie wurden speziell für die industrielle Bildverarbeitung und optische Messtechnik entwickelt, um diffuse Reflexionen zu minimieren und Kanten mit maximaler Präzision hervorzuheben. Telezentrische Beleuchtungen können ausschließlich in Verbindung mit telezentrischen Objektiven eingesetzt werden, da nur diese den parallelen Strahlengang optisch korrekt verarbeiten können.

In ihrer Grundform besteht eine telezentrische Beleuchtung aus einer punktförmigen Lichtquelle, die im Brennpunkt einer Linse positioniert ist. Da Lichtstrahlen, die aus dem Brennpunkt austreten, die Linse parallel verlassen, entsteht das gewünschte parallele Strahlenbündel. In Kombination mit einem telezentrischen Objektiv kann ein Messobjekt dadurch mit hochpräziser Hintergrundbeleuchtung erfasst werden. Das resultierende Bild erscheint als kontraststarke Silhouette vor homogen ausgeleuchtetem Hintergrund.

Bild 1 zeigt eine solche Anordnung

Bild 1: Telezentrische Messanordnung Bildnachweise: Vision & Control

Die Lichtquelle (LED) befindet sich in einer homogen ausgeleuchteten Aperturblende mit definierter Größe. Damit hat der Strahlengang eine genau bestimmte Apertur, die für eine exakte Abbildung erforderlich ist. Ein Bild dieser Lichtquelle erscheint wieder in der Aperturblende des Objektivs. Das Messobjekt wird in die Kameraebenen abgebildet und erscheint als Silhouettenbild mit einem gleichmäßig ausgeleuchteten Hintergrund.

Jetzt wird ersichtlich, dass die Aperturen von Beleuchtung und Objektiv aufeinander abgestimmt sein müssen. Die Blendenöffnung des Objektivs sollte so eingestellt sein, dass das Lichtquellenbild sie voll ausfüllt. Wird die Blende weiter geöffnet, wird das Bild dadurch nicht heller, die Apertur der Beleuchtung bestimmt den Strahlengang. Man stellt sie so ein, dass beim Schließen der Blende das Bild gerade noch nicht abgedunkelt wird. Damit sind die Aperturen angepasst und es können keine Störungen durch eventuelles Fremdlicht entstehen.

Die Lichtquellengröße und die Brennweite beeinflussen den Öffnungswinkel der Strahlen.

Bild 2: Lichtquellendivergenz in Abhängigkeit der Brennweite: Die Leuchtfelddurchmesser sind für dieses Beispiel gleich gehalten. Bildnachweis: Vision & Control

Der Tangens des Divergenzwinkels errechnet sich aus dem Verhältnis von halbem Leuchtfelddurchmesser zu Brennweite. Er ist also umso kleiner, je größer die Brennweite ist und umso kleiner die Lichtquellengröße ist.

Eine ideale telezentrische Beleuchtung besteht aus einer Punktlichtquelle, also wenn der Lichtquellendurchmesser gegen 0 geht. Hier kommt die Wellennatur des Lichtes zum Tragen, welche bewirkt, dass die ausgesendeten Wellen von Natur aus eine räumliche Kohärenz aufweisen, da sie eben gemeinsam von einem einzigen Punkt ausgehen. Sie interferieren im Bildraum, sodass sich dies im Kantenbild widerspiegelt. Es entsteht dann das bekannte Kantenbild bei kohärenter Abbildung. Wünschenswert für die Auswertung sind allerdings Kantenbilder, wie sie bei der völlig inkohärenten Abbildung entstehen. Hier erscheint der Kantenort genau bei der Hälfte der detektierten maximalen Intensität. Die kohärente Abbildung hingegen führt zu Effekten wie Ringing und einer Verschiebung des Kantenorts. Er erscheint laut Theorie bei einem Viertel der Maximalintensität. In der Praxis kann dies den Auswertealgorithmen Problemen bereiten. Eine Gegenüberstellung beider prinzipieller Kantenbildverläufe zeigt Bild 3. Die Grafiken wurden mit dem FFT ESF-Tool in ZEMAX erstellt für ein Objektiv mit einer Blendenzahl von 6 und einer Wellenlänge von 470 nm.

Deshalb muss eine telezentrische Beleuchtung sogar eine gewisse Divergenz aufweisen. Je größer diese ist, desto weniger treten die nachteiligen Effekte der kohärenten Bildentstehung auf. Jedoch muss hier in Kauf genommen werden, dass nicht nur eine Lichtrichtung zur Auswertung gelangt und es so eine leichte Kontrastminderung beispielsweise bei der Abbildung von Glasampullen gibt.

Die neu entwickelten TZBs tragen beiden Forderungen Rechnung (hoher Kontrast und geringe Kohärenzeffekte) und stellen eine optimale Apertur der Lichtquelle bereit.

Dadurch, dass mit den leistungsstarken LEDs nun auch mit sehr kleine Aperturen lichtstarke TZBs aufgebaut werden, ermöglicht dies wiederum die Brennweite der TZBs gering zu halten, sodass hinreichend kleine Divergenzwinkel erzeugt werden können. Denn eine kürzere Brennweite geht bei gleichbleibender Aperturgröße mit einem größeren Divergenzwinkel einher.

Gütekennzeichen der telezentrischen Beleuchtung:

Folgende Gütekennzeichen lassen sich für eine telezentrische Beleuchtung ableiten:

Die oben beschriebene Divergenz kann mit dem Öffnungswinkel als Maß für die Beleuchtungsapertur quantifiziert werden. Für beste Messergebnisse ist eine ebene Wellenfront anzustreben. Für eine geringe Wellenfrontaberration muss in diesem Fall der Öffnungsfehler möglichst auskorrigiert sein. Hierauf wurde bei den neu entwickelten TZBs besonders Wert gelegt.

Des Weiteren kann die Parallelität der Strahlen mit dem Telezentriewinkel bemessen werden. Dieser ist ein Maß für die Abweichung von der Parallelität der äußeren Hauptstrahlen bedingt durch die Prinziprealisierung mit optischen Komponenten, wie Linsen. Idealerweise ist er also 0°.

Belichtungszeit

Durch die stark gerichtete Strahlung gelangen die meisten Strahlen zur Abbildung, was in vergleichsweise kurzen Belichtungszeiten für den Sensor resultiert.

Aufbau und Ausrichtung

Besonders leicht lässt sich ein Mess- bzw. Inspektionssystem von Objektiven der vicotar®-Serie realisieren, da die Leuchtfelddurchmesser optimal zu den Durchmesserabstufungen der telezentrischen Objektive passen. Auch die passenden Halter stehen zur Verfügung.

Anwendungen

Die beschriebene Silhouettenbeleuchtung zur Kantenvermessung ist der hauptsächliche Anwendungsfall. Darüber sind diese Beleuchtungen aber auch bestens zur Inspektion von transparenten Gegenständen wie Glas oder Diamanten geeignet. So werden Schlieren, Kratzer oder Einschlüsse im parallelen Licht sichtbar. Denn immer wenn das Licht auf eine Fehlstelle trifft, so wird es aus dem Strahlengang abgelenkt und fehlt dann bei der Auswertung. Die betreffende Stelle erscheint dunkel. Diese Methode ist sehr sensitiv, wie der innere verbleibende Leuchtstreifen der Glasampulle exemplarisch zeigt. Hierzu kann das Licht mit einem passenden Strahlteiler eingespiegelt werden.

Für Inspektionsaufgaben wurden speziell die High-Power-Varianten unserer TZBs entwickelt. Denn es gilt hier, möglichst viel parallel gerichtetes Licht auf die Probe zu lenken. Diese stehen als 24V-Variante oder Smart-Light-Variante zur Verfügung. Letztere ermöglicht es, die Beleuchtung in Verbindung mit unserem Controller auch zu blitzen.

Die Maßbestimmung kann also immer bei glänzenden oder transparenten Objekten bestens im Zusammenhang mit telezentrischen Beleuchtungen erfolgen. Denkbar sind hierbei: Drähte, Metallbolzen, Glasstäbe, Glasampullen, Fäden, Flüssigkeitsstrahlen. Aber auch Stege, Gräben auf reflektierenden Oberflächen sowie Lackdicken, wie in der Halbleiterfertigung, lassen sich vermessen. Ein besonderer Anwendungsfall ist die richtungscodierten Deflektometrie (RCD), der dreidimensionalen Vermessung von reflektierenden Oberflächen.

Folgendes Beispiel demonstriert, wie ein größerer Aperturdurchmesser störende Kohärenzeffekte bei der Kantendetektion weitestgehend beseitigt. Für den Aufbau wurde eine blaue TZB48 in Kombination mit dem TO44/8.8-110-V-BW und einer Mako-Kamera von AVT mit einer Pixelgröße von 2,2 µm verwendet.

Im ersten Fall wurde mit einem Aperturdurchmesser von 0,5 mm und folglich einer Divergenz von 0,14° gemessen (Bild 4). Hier zeigen sich noch deutlich Überschwingeffekte. Im zweiten Fall wurde die Apertur der Blende auf 1,6 Millimeter erhöht (Bild 5). Es stellt sich damit eine Divergenz von etwa 0,46 ° ein. Es zeigt sich ein stetiger Kantenverlauf ohne störendes Ringing.

Folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die in den telezentrischen Beleuchtungen von Vision & Control eingebauten optimalen Blendendurchmesser, welche zur Unterdrückung von Kohärenzeffekten erforderlich sind.

Aperturdurchmesser für optimale Divergenz

Fazit:

Telezentrische Beleuchtungen von Vision & Control sind bestens geeignet für Mess- und Inspektionsaufgaben, insbesondere von transparenten Gegenständen wie Glas oder Diamanten.

erschienen in inVISION Objektive&Beleuchtungen (September) 2026

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